Zeehonden en vissen als inspiratie voor sensoren

Ajay Kottapalli maakt nieuwe sensoren van zachte polymeren. De inspiratie haalt hij uit de natuur. Twee jaar geleden begon hij als tenure-track onderzoeker bij het ENgineering and Technology institute Groningen (ENTEG).

De belangstelling voor op de natuur geïnspireerde sensoren ontstond bij Kottapalli tijdens zijn promotieonderzoek aan de Nanyang Technical University in Singapore, dat plaatsvond binnen een samenwerking met het Massachusetts Institute of Technology (VS). De inspiratie voor zijn eerste project kwam van de Mexicaanse tetra, blinde grotvissen die toch pijlsnel door het water zwemmen zonder ergens tegenaan te botsen.

Blinde vis

Deze blinde vissen ‘zien’ objecten via een soort ‘aanraking op afstand’ waarmee ze stromingen waarnemen met het zijlijnorgaan. Dit is een extra zintuig dat variaties in stroming en druk kan waarnemen via haarcellen die reageren op de beweging van het water. Alles dat in het water beweegt veroorzaakt verstoringen, waaruit de vissen kunnen afleiden waar een object zich bevindt, wat voor vorm het heeft en hoe snel het beweegt.

Op basis van dit natuurlijke systeem voor het waarnemen van stromingen ontwikkelde Kottapalli een zeer gevoelige en zeer kleine stromingssensor, waarvoor hij gebruik maakte van micro- of nanoelectromechanische systemen (MEMS/NEMS). Deze kleine stromingssensoren zijn voor allerlei toepassingen te gebruiken. Een netwerk van deze sensoren zou bijvoorbeeld oren en ogen kunnen geven aan voertuigen onder water of in de lucht, waarmee ze hun omgeving in kaart kunnen brengen. Op basis daarvan zouden ze zelf de meest efficiënte route kunnen uitstippelen.

De afgelopen twee jaar is Kottapalli in zijn nieuwe Groningse lab bezig geweest met het ontwikkelen van sensoren. Een van zijn projecten is geïnspireerd op de snorharen van zeehonden, in samenwerking met de opvang in Pieterburen. Zeehonden hebben de bijzondere eigenschap dat ze hun prooi onder water kunnen volgen zelfs als deze uit zicht is, op basis van de informatie van die snorharen. In modderig en donker water, waar het zicht nihil is, kunnen ze zo een prooi achterhalen. Vissen laten kleine kolkjes achter tijdens het zwemmen die de zeehonden volgen, als een spoor van broodkruimels.

Zeehond

Die bijzondere snorharen van de zeehond hebben een unieke golvende vorm en zijn in doorsnede elliptisch. Dit zorgt ervoor dat de snorharen zelf geen kolkjes achterlaten, wat weer helpt bij het minimaliseren van de trillingen die de snorharen veroorzaken tijdens het zwemmen. Daardoor zijn ze extra gevoelig voor de stroming die langs zwemmende vissen veroorzaken. Het onderzoeksteam van Kottipalli bestudeert deze snorharen om fundamentele inzichten te krijgen in de werking van het systeem waarmee het stromingsspoor van de vissen is waar te nemen.

Op basis van de snorharen van zeehonden werken een postdoc van Kottapalli, Amar Kamat, en promovendus Xingwen Zheng aan MEMS sensoren voor het meten van vloeistofstromen. Hij gebruikt hiervoor kunstmatige snorharen van 3D geprint polymeer, met dezelfde vorm als de echte snorharen. Kamat heeft de kunstmatige snorharen samen met echt exemplaren (afkomstig van overleden zeehonden uit Pieterburen) in stromend water getest om de trillingen en de buigingen te begrijpen waarmee ze de zwemsporen van vissen kunnen waarnemen.

Oor

Dieren leveren ook inspiratie voor sensoren die bij mensen zijn te gebruiken. Onderzoek laat zien dat de sensoren uit het zijlijnorgaan van vissen en sterk lijken op de haarcellen binnenin het oor van zoogdieren, de zogeheten stereocilia. Het binnenoor van mensen kan geluid, hoeksnelheid en versnelling meten met de stereocilia, die als haartjes uit de cellen steken. De manier waarop ze precies werken en waardoor ze zo’n zeer hoge gevoeligheid hebben, is nog niet goed begrepen.

Om dit systeem te onderzoeken hebben Kottapalli en zijn team de sensor-haartjes uit zoogdier-oren nagemaakt met behulp van polymeren en een 3D printer die op nanoschaal werkt. De experimenten die zij momenteel doen met de kunstmatige stereocilia kunnen mogelijk verklaren hoe de vorm van de haartjes bijdraagt aan de eigenschappen van de gehoorcellen. De 3D geprinte sensoren zijn zeer gevoelig voor vloeistofstroming of aanraking, erg flexibel en biocompatibel, ze kunnen dus in levende organismen worden gebruikt. Dit soort sensoren zou ook bruikbaar kunnen zijn in bijvoorbeeld ‘lab-op-een-chip’ toepassingen. Een van Kottapalli’s promovendi, Debaru Sengupta, werkt momenteel aan een kunstmatig binnenoor van polymeren, dat is te gebruiken bij (implanteerbare) gehoorapparaten.

Gezondheid

Voortbordurend op hun ervaring hebben Kottapalli en zijn team sensoren ontwikkeld voor het meten van de persoonlijke gezondheid. Er is een toenemende vraag naar flexibele, gevoelige en draagbare sensoren voor gebruik in protheses, zachte robots en medische apparatuur. In 2019 publiceerden zij een onderzoek naar piëzo-sensoren waarin de elektrische weerstand verandert door samendrukken. Die zijn gemaakt van sponsachtig PDMS polymeer met microporiën gevuld met grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof.

Deze sensoren kunnen langdurig druk of rek meten met hoge gevoeligheid. Het onderzoek liet zien dat met zo’n sensor in de schoenzool de loopbeweging is te analyseren. Op deze manier zijn aspecten van de voortbeweging gemeten, zoals lopen, leunen, staan of rennen. Daarbij bleek dat de sensoren zelfs het verschil tussen een gewone voet en een platvoet lieten zien.

Stroom

De volgende stap is om deze sensoren te gebruiken bij het meten van de voortbeweging van mensen met de ziekte van Parkinson, multiple sclerosis of andere neurologische aandoeningen. Dat soort metingen kan iets zeggen over het verloop van de ziekte en zou bruikbaar kunnen zij bij het ontwikkelen van een behandelplan. Mogelijk is een afwijkende loopbeweging zelfs te gebruiken als eerste diagnose. Maar deze sensoren zijn nog niet commercieel te maken.

Het lab van Kottapalli stopt ook veel tijd in het zoeken naar een manier om stroom te produceren via de sensoren, door gebruik te maken van materialen die piëzoelektrisch zijn (stroom produceren bij vervorming) of tribo-elektrisch (waarbij de materialen tijdens het wrijven elektrische lading uitwisselen en zo opgeladen worden). Bijna alle moderne gadgets hebben stroom nodig, en het zou handig zijn om slimme draagbare apparatuur te hebben die zichzelf van stroom voorziet door mechanische energie te oogsten uit lichamelijke activiteit. Als het aan Kottapalli en zijn medewerkers ligt, is de toekomst gevuld met dit soort op biologie gebaseerde en energieopwekkende sensoren.

Bedrijf

Sensoren zijn gemaakt voor praktisch gebruik. Daarom wil Kottapalli zijn onderzoek graag op de markt brengen. Amar Kamat, een postdoc in zijn groep, maakt goedkope, op stereocilia geïnspireerde vloeistofstroom-sensoren die met een 3D printer zijn te maken. Hij ontwikkelde onlangs een nieuw productieproces voor deze sensoren, waarop inmiddels patent is aangevraagd. De kleine sensoren zijn gevoelig voor lage stroomsnelheden, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in medische toepassingen.

Samen met Kottapalli zal Kamat een binnenkort bedrijfje starten dat de sensor technologie op de markt brengt, voor gebruik op intensive care (IC) afdelingen. Dit gebeurt in samenwerking met het UMCG, dat de technologie zal testen. Het op de markt brengen van deze nieuwe technologie moet belangrijke problemen op IC afdelingen oplossen, en de werkdruk verminderen, vroegtijdige diagnose mogelijk maken en problemen met geneesmiddelen terugdringen. Als alles goed gaat komen zo de eerste sensoren, geïnspireerd door zeehonden en vissen, uit het lab van Kottapalli op de markt.

Meer weten over dit onderzoek?

1. Kottapalli, A. G. P., Asadnia, M., Miao, J. M., & Triantafyllou, M. S. (2015). Harbour seal whisker inspired flow sensors to reduce vortex-induced vibrations. In 2015 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) (February ed., Vol. 2015, pp. 889-892). IEEE. Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)

2. Kottapalli, A. G. P., Bora, M., Asadnia, M., Miao, J., Venkatraman, S. S., & Triantafyllou, M. (2016). Nanofibril scaffold assisted MEMS artificial hydrogel neuromasts for enhanced sensitivity flow sensing. Scientific Reports, 6, [19336].

3. Kamat, A. M., Pei, Y. & Kottapalli, A. G. P., 30-Jun-2019, In: Nanomaterials. 9, 7, 14 p., 954.

4. Sengupta, D., Pei, Y. & Kottapalli, A. G. P., 25-Sep-2019, In: ACS Applied Materials & Interfaces. 11, 38, p. 35201-35211 11 p., 9b11776.